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문제 정의
- 본 연구의 주목적은 비정수압 SWASH 모형을 이용하여 불규칙파에 의한 해운대 해수욕장의 해빈류를 수치모의하고 그 적용성을 검토하는 것이다. 연구대상지역인 해운대 해수욕장의 외력조건 및 지형특성을 분석하여 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 동계 ESE 계열, 하계 S 계열의 이상파랑을 대상으로 수치모의를 실시하였다.
제안 방법
- 동계와 하계의 1시간단위 파랑관측자료를 이용하여 유의파의 최대치 Hs,max , 1/10 최대파 Hs, 1/10 , 1/3 최대파 Hs, 1/3 , 평균파 Hs,mean 및 그에 상응하는 주기를 나타내었으며 대표파랑은 유의파의 최대값으로 선정하였다(Table 1).
- , 2011) 다층모델링을 하면 그만큼 계산시간이 많이 소요된다. 본 연구에서는 입사파의 주기가 길어 쇄파대 부근이 천해영역에 해당하므로 단층모델을 적용해도 무방한 관계로 단층모델을 적용하였다. 약간의 조위차가 해빈류에 미치는 영향이 미미할 것으로 판단되며 동일한 수심조건에서 하계와 동계의 해빈류 변화를 파악하기 위해 조위조건은 하계와 동계에 동일한 평균해면을 사용하였다.
- 따라서 기존의 해운대해수욕장의 해빈류수치시뮬레이션에 적용한 입사파랑조건이나 수심보정 등이 각각 다르다. 본 연구에서는 해운대해수욕장의 계절적인 해빈류특성을 파악하기 위하여 해운대해수욕장에서 1차 양빈이 끝난 2014년 5월 측량한 수심자료를 사용하여 2014년 1년간에 걸친 파랑관측자료로부터 구한 계절별 유의파의 최대값에 해당하는 대표 파를 평균해수면 조건에서 수치시뮬레이션하였으며 사계절 결과중에서 입사파향이 서로 다른 하계와 동계의 해빈류패턴을 비교하였다. 한편, 입사파랑조건은 규칙파와 불규칙파를 대상으로 시뮬레이션을 행하여 양자를 비교한 결과 불규칙파의 시뮬레이션결과가 보다 타당성이 있는 결과로 판단되어 Choi(2015)와 같이 불규칙파랑에 대한 해빈류의 시뮬레이션결과를 제시하였다.
- 본 연구에서는 입사파의 주기가 길어 쇄파대 부근이 천해영역에 해당하므로 단층모델을 적용해도 무방한 관계로 단층모델을 적용하였다. 약간의 조위차가 해빈류에 미치는 영향이 미미할 것으로 판단되며 동일한 수심조건에서 하계와 동계의 해빈류 변화를 파악하기 위해 조위조건은 하계와 동계에 동일한 평균해면을 사용하였다.
- 본 연구의 주목적은 비정수압 SWASH 모형을 이용하여 불규칙파에 의한 해운대 해수욕장의 해빈류를 수치모의하고 그 적용성을 검토하는 것이다. 연구대상지역인 해운대 해수욕장의 외력조건 및 지형특성을 분석하여 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 동계 ESE 계열, 하계 S 계열의 이상파랑을 대상으로 수치모의를 실시하였다.
- SWASH 모형을 이용하여 해운대 해수욕장의 계절별 이상 파랑에 의한 파랑변형 및 해빈류 특성을 파악하기 위하여 적용된 조건은 Table 2와 같다. 입사파랑조건은 1시간단위 파랑관측자료의 유의파의 최대값과 그에 상응하는 주기를 사용하였으며 주 파향은 하계의 경우 S 계열, 동계의 경우 ESE 계열을 적용하였다. 조위는 국립해양조사원에서 제공하는 기본수준점 성과표를 참고하여 2013년 6월 21일부터 7월 21일까지 관측된 해운대의 조위를 사용하였다.
대상 데이터
- 1). 관측부이가 위치한 수심은 15.6 m 이며, 1시간단위의 파랑관측자료를 이용하여 대표파랑을 선정하였다. 파랑관측자료를 분석한 결과, 동계(12월 ~2월) ESE 계열과 하계(6월 ~ 8월) S 계열의 파랑이 지배적으로 나타났다(Fig.
- 연안과정에서 퇴적물 수송에 영향을 미치는 흐름은 파랑에 의한 해빈류 이외에도 조석에 의한 흐름(조류) 및 하천유출수 등이 있다. 본 연구대상인 해운대 해수욕장은 해안부근에서 비교적 조류가 약하고 하천유출수의 영향을 받지 않는 해안으로서 연안과정에서 해빈류가 지배적인 역할을 한다. 해빈류의 수치 모의 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 일반적으로 파랑에 의한 radiation stress를 구하여 천수방정식의 외력항으로 평가하여 수치모의하는 방법이 널리 사용되고 있다(Lee etal.
- 해운대 해수욕장의 중앙부근과 미포측의 전면은 암반과 천퇴로 인한 복잡한 해저지형을 나타낸다. 본 연구에 적용한 해운대해수욕장의 수심자료는 1차 양빈 후에 측량한 2014년 5월에 관측된 수심관측 자료를 적용하였다(Fig. 1)
- 입사파랑조건은 1시간단위 파랑관측자료의 유의파의 최대값과 그에 상응하는 주기를 사용하였으며 주 파향은 하계의 경우 S 계열, 동계의 경우 ESE 계열을 적용하였다. 조위는 국립해양조사원에서 제공하는 기본수준점 성과표를 참고하여 2013년 6월 21일부터 7월 21일까지 관측된 해운대의 조위를 사용하였다. 계산격자의 선정은 전파방향의 격자의 경우는 관심영역의 최대수심의 파장을 고려하여 파고를 고려하여 결정한다.
- 해운대 해수욕장의 계절별 대표파랑을 선정하기 위해 2014년 1년간 국립해양조사원의 파랑관측자료를 사용하였으며 그 위치는 W1과 같다(Fig. 1). 관측부이가 위치한 수심은 15.
데이터처리
- 계산시간은 입사파의 군속도가 해안에 내습하여 반사파가 입사경계에 되돌아오는데 걸리는 시간보다 충분히 길게 잡았으며 해빈류가 안정상태에 달하는데 걸리는 시간을 체크한 결과 30분 정도면 충분하다는 결과를 얻었다. 따라서 불규칙파의 경우 스펙트럼 한 주기에 해당하는 시간 약15분을 추가로 계산하여 이에 대한 시간평균값을 최종결과로 산출하였다. 따라서 전체 시뮬레이션 시간은 45분이 된다.
- 여기서, x와 y는 정수면에 위치하고 있으며 t는 시간,ζ( x,y,t)는 정수면을 기준으로자유수면까지의높이, d(x,y)는정수면하수심, h = ζ + d 는 총수심, q(x,y,z,t)는 비정수압 압력성분, u(x,y,t) v(x,y,t)는 x,y방향에 대한 수심평균유속, g는 중력가속도, cf는 저면마찰계수로서 Manning의 조도계수를 사용하여 평가하였다.
- 7과 같다. 해빈류는 최종적으로 안정상태에 도달하였을 때의 결과를 얻을 수 있도록 spectrum에 의한 계산시간의 마지막 한 주기의 계산 결과를 평균하여 나타내었다. 계산된 해빈류 패턴을 보면 동백섬측에서 미포측으로 향하는 연안류가 지배적으로 나타나고 있으며 해운대 해수욕장 중앙부근에서 이안류가 나타났다.
이론/모형
- 2차원의 해석방법은 수심평균, 비정수압, 자유수면 흐름을 Navier-Stokes 방정식의 질량·운동량보존조건으로 유도된 다음과 같은 비선형천수방정식을 적용한다.
- 시간 격자는 CFL 조건을 만족하는 범위에서 결정하였으며 SWASH 모형에서는 안정조건을 만족시키도록 자체적으로 시간격자를 결정하게 된다. 불규칙파 입사파랑은 SWASH 사용자 매뉴얼에서 선택 가능한 스펙트럼중에서 JONSWAPspectrum을 적용하여 모의하였다. 그 이유는 입사파의 경계지점의 최대수심이 약 30 m 정도로서 주기 8.
성능/효과
- 미포항 동쪽 고두말에서 발생된 흐름은 미포측까지 도달하지 못하고 외해로 빠져나가는 패턴을 보였다. SWASH 모형을 이용하여 산정된 해빈류 패턴과 Fig. 4의 관측결과를 비교해 보았을 때 동백섬측과 미포측에서 외해로 이동하는 패턴을 잘 묘사한 것으로 나타났다. 유속분포를 보면 고두말에서 최대 약 1.
- 하계 이상파랑의 경우, S 계열의 파랑이 태풍에 의하여 비교적 커다란 파고와 주기로 직접적으로 내습하는 것으로 나타났다. SWASH 모형을 이용하여 산정한 해빈류 패턴은 동백섬측에서 미포측까지 연안류가 발생하여 미포측에서 외해로 빠져나가는 패턴이 나타났으며 중앙부근에서 외해로 빠져나가는 이안류가 나타났다. 해운대해수욕장의 동쪽 고두말에서 발생된 흐름은 해운대 해수욕장까지 도달하지 못하고 외해로 빠져나가는 패턴을 보였으며 유속은 동백섬측에서 약 1.
- 6과 같다. 계산된 파봉선을 보면 파랑이 내습되면서 육지에 의한 약반사 및 천퇴영역에 의한 파의 산란 등 파랑변형의 형태가 잘 묘사되고 있는 것을 볼 수 있으며 투과성 개경계의 sponge 층의 효과로 경계에서의 반사와 같은 불필요한 파랑 변형이 나타나지 않음을 알 수 있다. 파고분포를 보면 Fig.
- 8 과 같은 파봉선과 파고분포로부터 개략적인 해빈류패턴을 예상할 수 있다. 계산된 해빈류 패턴을 보면 해운대 해수욕장 중앙부근에서 동백섬측으로 발생 되는 연안류와 미포측으로 발생되는 연안류가 나타났다. 미포항 동쪽 고두말에서 발생된 흐름은 미포측까지 도달하지 못하고 외해로 빠져나가는 패턴을 보였다.
- 입사경계를 제외한 투과성 경계에서는 반사를 최소화하기 위하여 파장의 3~5배에 상응하는 길이의 sponge 층을 설정하여 반사를 최소화하였다. 계산시간은 입사파의 군속도가 해안에 내습하여 반사파가 입사경계에 되돌아오는데 걸리는 시간보다 충분히 길게 잡았으며 해빈류가 안정상태에 달하는데 걸리는 시간을 체크한 결과 30분 정도면 충분하다는 결과를 얻었다. 따라서 불규칙파의 경우 스펙트럼 한 주기에 해당하는 시간 약15분을 추가로 계산하여 이에 대한 시간평균값을 최종결과로 산출하였다.
- 동계(Fig. 4)의 흐름패턴 및 표사이동 flux의 관측결과 동백섬측과 미포측에서 외해방향으로 이동되는 것으로 나타났으며 해운대 해수욕장 중앙부근 전면에서 유입되는 패턴이 나타났다. 또한, 외해방향에서 관측된 결과는 조류의 방향과 유사하게 나타났다.
- 6 m 이며, 1시간단위의 파랑관측자료를 이용하여 대표파랑을 선정하였다. 파랑관측자료를 분석한 결과, 동계(12월 ~2월) ESE 계열과 하계(6월 ~ 8월) S 계열의 파랑이 지배적으로 나타났다(Fig. 2). 동계와 하계의 1시간단위 파랑관측자료를 이용하여 유의파의 최대치 Hs,max , 1/10 최대파 Hs, 1/10 , 1/3 최대파 Hs, 1/3 , 평균파 Hs,mean 및 그에 상응하는 주기를 나타내었으며 대표파랑은 유의파의 최대값으로 선정하였다(Table 1).
- 5)의 흐름패턴 및 표사이동 flux의 관측지점이 동계와 다소 차이가 있는 것은 이 시기에 미포측의 돌제가 완공되어 동일한 위치에서 관측이 불가능하여 변경된 것으로 판단된다. 하계의 관측결과, 동백섬측과 미포측에서 외해방향으로 이동되는 것으로 나타났으며 해운대 해수욕장 중앙부근에서 외해로 이동되는 것으로 나타났다. Do et al.
- SWASH 모형을 이용하여 산정한 해빈류 패턴은 동백섬측에서 미포측까지 연안류가 발생하여 미포측에서 외해로 빠져나가는 패턴이 나타났으며 중앙부근에서 외해로 빠져나가는 이안류가 나타났다. 해운대해수욕장의 동쪽 고두말에서 발생된 흐름은 해운대 해수욕장까지 도달하지 못하고 외해로 빠져나가는 패턴을 보였으며 유속은 동백섬측에서 약 1.5 m/s까지 가장 크게 나타났으며 미포측에서 약 0.1 m/s 이하로 낮게 나타났다. 해빈류 패턴과 유속을 통하여 동백섬측과 해운대 해수욕장 중앙부근에서 침식과 미포측의 퇴적이 발생될 것으로 사료된다.
후속연구
- 본 연구에서 적용한 이상파랑 조건하에서 현지 해빈류의 관측결과가 없는 관계로 수치모의 결과의 검증은 이루어지지 않았지만 파봉선과 파고의 공간적인 분포로부터 어느 정도 해빈류의 패턴은 예측할 수 있을 것으로 사료되며 향후 해운대해수욕장 연안정비사업이 완료되어 돌제나 잠제등의 구조물이 설치된 후 해빈류 패턴이 양빈전과 비교하여 어떻게 변할 것인가를 파악하기 위한 사전 연구로 가치가 있을 것으로 사료된다. 아울러 앞으로 beach processes의 연구를 위하여 이상파랑 조건하에서의 현지 해빈류 관측이 반드시 필요할 것으로 본다.
- 본 연구에서 적용한 이상파랑 조건하에서 현지 해빈류의 관측결과가 없는 관계로 수치모의 결과의 검증은 이루어지지 않았지만 파봉선과 파고의 공간적인 분포로부터 어느 정도 해빈류의 패턴은 예측할 수 있을 것으로 사료되며 향후 해운대해수욕장 연안정비사업이 완료되어 돌제나 잠제등의 구조물이 설치된 후 해빈류 패턴이 양빈전과 비교하여 어떻게 변할 것인가를 파악하기 위한 사전 연구로 가치가 있을 것으로 사료된다. 아울러 앞으로 beach processes의 연구를 위하여 이상파랑 조건하에서의 현지 해빈류 관측이 반드시 필요할 것으로 본다.
- 1 m/s 이하로 낮게 나타났다. 해빈류 패턴과 유속을 통하여 동백섬측과 해운대 해수욕장 중앙부근에서 침식과 미포측의 퇴적이 발생될 것으로 사료된다.
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